一种基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统的制作方法

本发明涉及一种提高太阳能热电发电效率的系统，具体涉及一种基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统。

背景技术：

积极寻求新能源和新的能源利用方式成为当今世界范围内的研究热点。在太阳能、风能、地热能和生物质能等为代表的可再生能源中，太阳能以其无限性、普遍性、清洁性、经济性等特点受到全球各大研究机构的重点关注。据权威机构预测，到本世纪中段，太阳能将成为能源结构中最重要的一部分。可见，研究太阳能利用对维持经济可持续发展，保证国家能源安全具有十分重要的意义，而太阳能发电是太阳能利用最为重要的方式之一。太阳能热电发电(STEG)是利用热电器件直接将热能转换为电能的新能源技术，具有无噪音、无污染、无需燃料、不受地域限制、规模大小灵活、故障率低、建设周期短等优势。

STEG系统主要由太阳能集热系统和热电发电(TEG)系统组成。集热系统光吸收与光热转换效率、热传输与存储过程中热量损失及TEG系统热电转换效率决定了STEG系统总体效率。虽然目前STEG系统采用的集热方式、工作温度和材料等各有不同，但其总体结构可总结为图1所示的构型。太阳辐射经不同光学系统聚光后，由集热系统中涂成黑色的或者选择性太阳能吸收材料制成的吸热器将光能转换成热能并传导至热电器件热端。可以看出，此类吸热器的工作方式属于表面式吸收，最高温度点将出现在吸热表面。通过传热分析可以发现，在图1所示结构中，70％以上太阳辐射能通过吸热器的再辐射和自然对流传热损耗，导致STEG系统效率极低。

另一方面，由于昼夜交替、气候变化以及一天中太阳辐射强度随时间的波动性，太阳能的获取总是间歇而不连续的，造成了能量供求之间在时间和空间上的不匹配，使得太阳能发电系统很难平稳运行。采用储热系统将收集到的部分太阳能储存起来，在需要时提供热能，从而达到容量缓冲、电力输出平稳、提高利用率等目的。太阳能储热一般可分为显热储热、潜热储热和化学反应储热。而显热储热主要是通过材料温度的上升或下降而存储热能，具有原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉等特点，是目前太阳能储热技术中最成熟且已取得商业化应用的储热材料。显热储热系统需要依靠材料的温度变化进行能量储存，因此理想的太阳能显热存储介质应具有高的比热容、高的热导率和高的化学稳定性，然而很少有材料同时满足这些要求。

此外，强化冷端散热以降低热电器件冷端温度，是提高STEG系统输出电压与输出功率的另一途径。如果热量在STEG系统的冷端积聚，无法迅速有效地散发掉，将使冷端温度上升，导致冷热端温差下降，从而影响STEG系统的效率。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统，所述基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统包括：基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统、基于纳米流体储热池、基于纳米流体冷端散热器、热电器件热端换热器和热电发电系统，基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统通过管道和基于纳米流体储热池连接，基于纳米流体储热池通过管道和热电器件热端换热器连接，热电器件热端换热器和热电发电系统直接安装在一起，基于纳米流体冷端散热器为热电发电系统的散热器，基于纳米流体冷端散热器通过管道和热电发电系统连接在一起。

在本发明的具体实施例中，所述基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统内安装有太阳光跟踪系统。

在本发明的具体实施例中，所述基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统采用的纳米流体种类的基液包括水基、有机溶剂基以及合成油基，纳米粒子包括Cu、ZnO、TiO₂、石墨烯、碳纳米管。

在本发明的具体实施例中，所述基于纳米流体储热池内安装有具有储能功能的相变材料；所述基于纳米流体储热池采用纳米流体显热储热和相变材料潜热储热相结合的方式。

在本发明的具体实施例中，相变材料包括无机类相变材料和有机类相变材料、复合相变材料、改性后的相变材料。

在本发明的具体实施例中，无机类相变材料包括：结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类；有机类相变材料包括：石蜡、棕榈酸。

在本发明的具体实施例中，基于纳米流体冷端散热器为板翅式换热器。

在本发明的具体实施例中，基于纳米流体储热池的底部加装搅拌装置。

本发明的积极进步效果在于：本发明提供的基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统，基于纳米流体的直接吸收式太阳能集热器，利用的是纳米流体体积式吸收过程，纳米流体既是吸热材料又是传热材料，可以有效降低集热系统的热阻；同时由纳米流体直接吸收辐射能降低了集热器表面温度，从而减少了集热系统的散热损失。

本发明将基于纳米流体直接吸收式集热系统吸收转换的太阳辐射能直接存储于纳米流体池。由纳米流体兼作吸热介质、储热介质和传热介质，在太阳能光热吸收、储存和输运系统内免除热交换器，简化换热环节，实现吸热、传热及储热一体化，从而降低热阻，减少热量损失。

本发明中相变材料储热密度大、热稳定性好，选择相变材料作为STEG系统辅助储能材料，有利于进一步提高热能储存密度和稳定性。

本发明的纳米流体应用到STEG系统冷端冷却系统，可以强化冷端传热，降低其温度，从而提升STEG系统的效率。

附图说明

图1为常用的太阳能热电发电系统的构型示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为纳米流体流速与热电发电效率提高比。

图4为纳米流体和基液(水)在24h内吸收太阳光后温度的变化。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

图2为本发明的整体结构示意图，如图2所示：本发明提供的基于纳米流体提高太阳能热电发电效率的系统，包括基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统100、基于纳米流体储热池200、基于纳米流体冷端散热器300、热电器件热端换热器400和热电发电系统500，基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统100通过管道和基于纳米流体储热池200连接，基于纳米流体储热池200通过管道和热电器件热端换热器400连接，热电器件热端换热器400和热电发电系统500直接安装在一起，基于纳米流体冷端散热器300为热电发电系统500的散热器，基于纳米流体冷端散热器300通过管道和热电发电系统500连接在一起。

基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统100即是吸热材料有时传热材料。

基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统100内安装有太阳光跟踪系统。

基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统100采用的纳米流体种类的基液包括水基、有机溶剂基以及合成油基，纳米粒子包括Cu、ZnO、TiO₂、石墨烯、碳纳米管。

基于纳米流体储热池200内安装有具有储能功能的相变材料；基于纳米流体储热池200采用纳米流体显热储热和相变材料潜热储热相结合的方式。

相变材料包括但不限于无机类相变材料主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类相变材料主要包括石蜡、棕榈酸和其他有机物；各类复合相变材料；改性后的各类相变材料等。

基于纳米流体冷端散热器300为板翅式换热器，充分发挥出纳米流体强化传热的特点。

本发明中的基于纳米流体直接吸收式真空管集热系统100采用槽式线聚焦，配有太阳光跟踪系统以便尽可能采集更多的太阳能。槽式集热镜场采用FLABEG反射镜面，太阳光经其反射至直接吸收式真空集热管，并对管内的纳米流体进行加热。由于纳米颗粒的小尺寸效应、量子效应、大比表面积效应以及界面原子排列和键组态的无规则特性使得纳米微粒的光学特性有了较大的变化，具有特殊的光吸收性质。正是由于纳米流体特殊的光吸收性能和纳米流体良好的热输运性能，利用纳米流体体积式吸收过程，纳米流体既是吸热材料又是传热材料，可以有效降低集热系统的热阻；同时由工作流体直接吸收辐射能可以降低集热器表面温度，从而减少集热系统的散热损失。

在本发明中，经太阳光加热后纳米流体进入基于纳米流体储热池200。储热池底部加装搅拌装置，保证纳米流体内纳米粒子分散稳定。纳米流体池外部和池内放置相变储能结构，保证纳米流体温度稳定、减少散热损失和防止温度过高。外部相变储能结构202外面以隔热材料包裹203，降低纳米流体池与环境之间的热交换。纳米流体不仅具有突出的光热吸收转换性能和热传输性能，本身也是优异的显热储热材料。将基于纳米流体直接吸收式集热系统吸收转换的太阳辐射能直接存储于纳米流体池，可以实现太阳能光热吸收、储存和输运系统内免除热交换器，简化换热环节，实现吸热、传热及储热一体化，同时，增加含有相变材料的储热结构，利用相变材料的潜热热能储存具有储能密度高，在恒定的温度储存和释放热能等特点，进一步提高热能储存密度和稳定性。

在本发明中，基于纳米流体冷端散热器300中，纳米流体因为是在原液中加入纳米颗粒和分散剂，使得液体随着温度的提高，纳米液的比热容大幅增大，传热性能大幅提高，并且越高温传热性能越好，有利于散热。因而在热电器件冷端采用纳米流体作为强化传热介质，能够有效增强冷端散热，降低热电器件冷端温度，有效提高热电器件转换效率。纳米流体基液包括水基、有机溶剂基以及合成油基等，纳米粒子包括Cu、ZnO、TiO₂、石墨烯、碳纳米管等。

在本发明中，纳米流体池内纳米流体经过四周排布热电器件的发电区域与热电器件热端进行充分热交换之后再次进入太阳能直接吸收式真空管。依据纳米流体特性，在热端采用板翅式换热器，一定程度上导致纳米流体内颗粒间的碰撞作用和微对流会更加明显，因此能充分发挥出纳米流体强化传热的特点。同时利用小型泵保证纳米流体具有合适的流速和流量。通过调整换热器换热能力和纳米流体流速以及流量，控制热电器件热端的温度。同时，热电器件冷热端和换热器之间存在极细微的凹凸不平的空隙，如果将它们直接安装在一起，它们间的实际接触面积只有换热器底座面积的10％，其余均为空气间隙。使用具有高导热性的热界面材料填充满这些间隙，排除其中的空气，在热电器件和换热器间建立有效的热传导通道，可以大幅度降低接触热阻，使换热器的作用得到充分地发挥。

热电器件的n型和p型电偶臂分别选用性能较高的Bi₂Se_0.3Te_2.7和Bi_0.5Sb_1.5Te₃，制备出的碲化铋基热电器件由49对碲化铋基材料组成。热电发电系统由多组热电器件串联而成。热电器件冷热端之间填充隔热材料并在热电器件上部靠近散热器处，放置空气隔离层，进一步阻碍热量向冷端传输。依据热电臂的热导率、电导率等物理特性，调整隔热材料的导热系数以及空气隔离层的位置，提高热电器件转换性能。

在本发明中，除了上述构件外，还包括纳米流体在真空吸热管、纳米流体池和热电器件热端之间流动的管路，纳米流体储热池和管路中排液管以及补液管，提供纳米流体流动动力的小型泵。热电器件冷端与散热器之间连接管路以及提供流体流动动力的泵。纳米流体、热电器件温度监控系统等安全保护措施。

图3为纳米流体流速与热电发电效率提高比，图4为纳米流体和基液(水)在24h内吸收太阳光后温度的变化。下面是结合图3-4给出两个具体的实施例子：

实施例一

以水和碳纳米管-水纳米流体作为冷端冷却工质，设定冷却流体入口温度22℃，流体当量直径为10mm×10mm。由于STEG系统功率、效率与热电发电器件温度的依赖性，当冷却液水流速由0.001增大到0.05m/s之间时，输出功率由0.647W增大到1.68W。与此同时，热电发电系统效率由0.0792增加到0.129。在固定热电发电系统热端温度时，冷端冷却液流速是影响STEG系统输出功率与系统效率的重要因素。如图3所示，纳米流体的强化换热效果，使STEG系统在速度0.001m/s时输出功率提高了22.7％、系统效率提高了11％。

实施例二

利用两组直接吸收式真空管模拟不同流体太阳能光热转换性能，测试时，两组集热器的真空集热管在相同的阳光照射下，吸收相同的热量，换热介质由输液泵输送，从安装在真空集热管内的流道管流过，换热介质吸收热量，温度升高。图4给出的是以不同种类纳米流体和基体液体作为太阳能热水系统换热介质时24小时内的温度变化测试结果，所用的基体液体去离子水，纳米颗粒的体积含量是1.0％，所用纳米颗粒有三种，分别为Al₂O₃、MgO和ZnO。由图可见，对于所用到的三种纳米流体，在24小时内的温度均比基体液体高；流体吸收热量后的温度升高并非与太阳光光照强度同步，而是有较大的滞后，太阳光在11：30光照强度达到最大，而流体温度几乎都是在15：00前后达到最高，滞后时间达3个半小时，出现这种现象的主要原因是流体的总热容较大；太阳光在18：00以后的光照强度很小，但这时流体的温度还是保持比较高的水平，在凌晨6：00时，流体的温度降至最低，随后又逐渐升高开始第二个循环。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。